Главная / Неорганическая химия / Неметаллы / Кислород

Кислород (Элемент VIA-группы)

Самый распространенный элемент на Земле, дыхание планеты и мощнейший окислитель (после Фтора)

🧠

Вызов для любознательных!

В самом конце страницы вас ждет уникальная олимпиадная цепочка с запутанной схемой, скрытыми реакциями и расчетом массовой доли. Бросьте вызов своим знаниям неорганической химии!

Самое важное для ЕГЭ

Кислород — это сильнейший окислитель. Он вступает в реакцию почти со всей Периодической таблицей, заставляя вещества гореть. Единственное, что кислород окислить НЕ МОЖЕТ — это фтор, так как фтор еще "злее". Важно знать особенности горения щелочных металлов, аммиака (с катализатором и без) и сложных сульфидов.

1. Строение атома и аллотропные модификации

Кислород — первый представитель халькогенов (VIA группа, 2 период). Электронная конфигурация: 1s22s22p4. На внешнем слое 6 электронов, до заветного октета не хватает ровно двух.

Типичные степени окисления:

Аллотропия (Химические воплощения)

У кислорода есть две аллотропные модификации, которые кардинально отличаются друг от друга:

Аллотропная модификацияСвойства и особенности
Кислород (O2)
Жизнь		 Газ без цвета, вкуса и запаха. Чуть тяжелее воздуха, плохо растворим в воде (но рыбам хватает!). В жидком состоянии имеет красивый светло-голубой цвет. Массовая доля в земной коре — около 47% (он входит в состав почти всех минералов: песка, глины, гранита). В воздухе его ~21% по объему.
Озон (O3)
Защита		 Газ голубого цвета со специфическим "запахом свежести" (как после грозы). Озон — гораздо более агрессивный окислитель, чем кислород (легко окисляет серебро). В высоких слоях атмосферы он образует "озоновый слой", защищающий нас от ультрафиолета. Ядовит в высоких концентрациях.

Вопрос 1: Аллотропия (Озон)

Проверка

Какая аллотропная модификация кислорода образуется во время грозы? Напишите уравнение реакции и укажите свойства этого газа.

Ответ: Озон ($O_3$). Уравнение: $3O_2 \xrightarrow{электрический разряд} 2O_3$.

Пояснение: Озон — газ с резким запахом "свежести", намного более сильный окислитель, чем молекулярный кислород (например, окисляет серебро при обычных условиях).

2. Получение кислорода

Метод полученияСуть метода и уравнения реакций
В промышленности
Из воздуха
В промышленности нет смысла проводить сложные химические реакции. Воздух — это готовый коктейль газов.
Воздух сжижают (превращают в жидкость при сверхнизких температурах), а затем проводят фракционную перегонку жидкого воздуха (так как у кислорода и азота разные температуры кипения).
В лаборатории
Разложение сложных веществ
Лабораторные способы основаны на термическом или каталитическом разложении богатых кислородом веществ. Эти реакции — хит первых заданий и задания №29:
1. Разложение Перманганата калия (марганцовки):
2KMnO4 t°→ K2MnO4 + MnO2 + O2↑
2. Разложение Бертолетовой соли:
2KClO3 MnO₂, t°→ 2KCl + 3O2↑
3. Каталитическое разложение перекиси водорода (аптечный метод):
2H2O2 MnO₂→ 2H2O + O2↑
4. Разложение оксидов тяжелых металлов и нитратов:
2HgO t°→ 2Hg + O2↑
2KNO3 t°→ 2KNO2 + O2↑
Реакция 1

Вопрос 1: Получение кислорода (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения термического разложения для получения кислорода в лаборатории:

  1. $KClO_3 \xrightarrow{t^\circ, MnO_2} \dots + \dots\uparrow$
  2. $KMnO_4 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots + \dots\uparrow$
  3. $H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

  1. $2KClO_3 \xrightarrow{t^\circ, MnO_2} 2KCl + 3O_2\uparrow$ (разложение бертолетовой соли)
  2. $2KMnO_4 \xrightarrow{t^\circ} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow$
  3. $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow$ (каталитическое разложение перекиси)

3. Химические свойства

Кислород проявляет свойства окислителя с подавляющим большинством элементов, заставляя их гореть с выделением энергии.

РеагентыОсобенности и уравнения реакций
С неметаллами (Исключения)
Фтор, Галогены
С хлором, бромом и йодом реакций напрямую НЕТ. А фтор — единственный элемент, которому кислород проигрывает! Фтор окисляет кислород, образуя фторид кислорода:
O2 + 2F2 → 2OF2 (кислород проявляет с.о. +2!)
Реакция 2
С остальными неметаллами
С, S, Si, N, P
С азотом реакция идет крайне тяжело, а углерод, сера и фосфор горят отлично:
C + O2(изб) → CO2
2C + O2(нед) → 2CO
S + O2 → SO2 (Получить SO₃ без катализатора нельзя!)
Si + O2 → SiO2
N2 + O2 2000°C / Молния⇄ 2NO (Эндотермическая реакция)
4P + 5O2(изб) t°→ 2P2O5
4P + 3O2(нед) t°→ 2P2O3
Реакция 3
С металлами
Окись и Пероксиды
Кислород окисляет все металлы, кроме золота (Au) и платины (Pt). Особое внимание горячим щелочным металлам!
ПРАВИЛО ГОРЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
Только Литий и Щёлочноземельные металлы (Ca, Ba, Sr) горят до нормальных оксидов.
4Li + O2 → 2Li2O (Оксид)
2Na + O2 → Na2O2 (Пероксид!)
K + O2 → KO2 (Надпероксид!)
Горение переходных металлов:
2Zn + O2 → 2ZnO
3Fe + 2O2 t°→ Fe3O4 (Железная окалина: FeO · Fe₂O₃)
Реакция 4
Сложные вещества: Сульфиды
Обжиг Пиритов
Сульфиды отлично горят. Образуются два оксида: оксид металла и сернистый газ (SO₂):
4FeS + 7O2 t°→ 2Fe2O3 + 4SO2↑
CS2 + 3O2 t°→ CO2 + 2SO2↑
Реакция 5
Сложные вещества: Летучие водородные (NH₃, H₂S)
Влияние катализатора
Сероводород горит по-разному в зависимости от избытка кислорода:
2H2S + 3O2(изб) → 2H2O + 2SO2
2H2S + O2(нед) → 2H2O + 2S↓ (Осадок серы)
Аммиак также требует особого внимания:
Без катализатора (Горение): окисление до нейтрального азота N₂.
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
С платиновым (Pt) катализатором: окисление до оксида азота NO.
4NH3 + 5O2 Pt, t°→ 4NO + 6H2O
Реакция 6
Дожигание промежуточных оксидов и органики
Кислород с радостью доокисляет вещества, в которых элемент находится не в высшей степени окисления, а любая органика горит до CO₂ и H₂O:
2NO + O2 → 2NO2 ("бурый газ")
2CO + O2 → 2CO2
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (Серо-зеленый осадок буреет!)
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Реакция 7

Вопрос 1: Химические свойства кислорода (Горение и окисление)

Проверка

Допишите уравнения реакций горения (взаимодействия с кислородом):

  1. $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  2. $P + O_2(изб) \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  3. $Fe + O_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  4. $CH_4 + O_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
  5. $H_2S + O_2(изб) \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$

Ответ:

  1. $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ (образуется диоксид серы)
  2. $4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$
  3. $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$ (образуется железная окалина)
  4. $CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2 + 2H_2O$ (полное сгорание органики)
  5. $2H_2S + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2SO_2 + 2H_2O$ (полное окисление сероводорода)

Пояснение: Кислород — сильный окислитель. При горении сложных веществ, как правило, образуются оксиды элементов, входящих в состав вещества.

5. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с кислородом на канале Thoisoi:

Олимпиадная задача (Кислород)

Газ X поддерживает горение и дыхание. При пропускании через него электрического разряда образуется газ A с резким запахом свежести (реакция 1), который может разлагаться обратно (реакция 2). В лаборатории X получают каталитическим разложением жидкости B, массовая доля кислорода в которой составляет $94,12\%$ (реакция 3).

Щелочные металлы при горении в X ведут себя по-разному: натрий дает светло-желтый пероксид C (массовая доля кислорода $41,03\%$) (реакция 4), а калий — оранжевый надпероксид D (массовая доля кислорода $45,07\%$) (реакция 5). И C, и D при реакции с холодной водой дают раствор щелочи и жидкость B (реакции 6 и 7) (причем из D дополнительно выделяется газ X). А при реакции C и D с углекислым газом также регенерируется X (реакции 8 и 9), что используется в изолирующих противогазах.

При горении простых веществ в газе X образуются различные оксиды: медь чернеет, покрываясь слоем E ($CuO$) (реакция 10), железо дает смешанную железную окалину F ($Fe_3O_4$) (реакция 11), а углерод, сера и фосфор сгорают с образованием кислотных оксидов G, H и I (высший оксид фосфора) (реакции 12, 13, 14).

Схема превращений (10 веществ):

эл. разряд t° + Na, t° + CO₂ + K, t° + H₂O (хол) / + CO₂ + H₂O (хол) + H₂O (хол) MnO₂, t° + Cu, t° + Fe, t° + C, t° + S, t° + P, t° X A B C D E F G H I

Показать решение и уравнения реакций

Ответ

Шаг 1: Расшифровка веществ.
Жидкость B с $\omega(O) = 94,12\%$ — это $H_2O_2$. $M = 34$. $\omega(O) = 32/34 \approx 0.9412$.
Пероксид C с $\omega(O) = 41,03\%$ — это $Na_2O_2$. $M = 46 + 32 = 78$. $\omega(O) = 32/78 \approx 0.4103$.
Надпероксид D с $\omega(O) = 45,07\%$ — это $KO_2$. $M = 39 + 32 = 71$. $\omega(O) = 32/71 \approx 0.4507$.
Следовательно, X — Кислород ($O_2$).

Вещества: X = $O_2$, A = $O_3$, B = $H_2O_2$, C = $Na_2O_2$, D = $KO_2$, E = $CuO$, F = $Fe_3O_4$, G = $CO_2$, H = $SO_2$, I = $P_2O_5$.

Реакции (14 уравнений):
1. $3O_2 \xrightarrow{электр.разряд} 2O_3$
2. $2O_3 \xrightarrow{t^\circ} 3O_2$
3. $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow$
4. $2Na + O_2 \xrightarrow{t^\circ} Na_2O_2$
5. $K + O_2 \xrightarrow{t^\circ} KO_2$
6. $Na_2O_2 + 2H_2O(холод.) \rightarrow 2NaOH + H_2O_2$
7. $2KO_2 + 2H_2O(холод.) \rightarrow 2KOH + H_2O_2 + O_2\uparrow$
8. $2Na_2O_2 + 2CO_2 \rightarrow 2Na_2CO_3 + O_2\uparrow$
9. $4KO_2 + 2CO_2 \rightarrow 2K_2CO_3 + 3O_2\uparrow$
10. $2Cu + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO$
11. $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$
12. $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$
13. $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$
14. $4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$

📝
Практика по неорганической химии
Проверь свои знания. Задания в формате ЕГЭ с подробными решениями.
📋 Зад. 5 — Классификация ⚗️ Зад. 6 — Свойства 🔬 Зад. 7 — Свойства (2) 🧪 Зад. 8 — Свойства (3) 🔗 Зад. 9 — Цепочки ✍️ Зад. 31 — Уравнения